Lityummetal anotlar son derece yüksek teorik özgül kapasiteye (3860 mA·bg) ve en düşük elektrokimyasal potansiyele (-3,040 V (SHE'ye karşı)) sahiptir, bu da onların birçok elektrot malzemesi arasında "kutsal kâse" elektrot olarak kabul edilmesini sağlar. Lityum metal piller, lityum-kükürt ve lityum-oksijen pilleri içerir. Lityum-kükürt piller yaklaşık 2600 W·h/kg enerji yoğunluğuna sahipken, lityum-oksijen piller yaklaşık 3500 W·h/kg enerji yoğunluğuna sahiptir; bu, geleneksel lityum-iyon pillerin sırasıyla 7 ve 10 katıdır. Bu nedenle lityum metal piller, en umut verici enerji depolama sistemlerinden biri olarak kabul ediliyor ve yeni nesil pil sistemleri için en iyi aday olarak görülüyor ve büyük ilgi görüyor. Ancak lityum dendrit sorunu nedeniyle ilk lityum metal piller yalnızca belirli uzmanlık alanlarında uygulanabildi ve ticarileştirilmesi gecikti.
Şarj edilebilir lityum metal piller 1970'lerin başlarında icat edildi ve saatlerde, hesap makinelerinde ve diğer elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanıldı.
Lityum metal piller elektrikli cihazlarda ve taşınabilir tıbbi cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, lityum metalindeki bazı kusurlar nedeniyle bunların ticarileştirilmesi engellenmiştir. Periyodik tablonun 1. Grubunun bir üyesi olan lityum atomlarının en dış kabuklarında yalnızca bir elektron bulunur ve bu elektronu kolayca kaybettikleri için kimyasal olarak oldukça reaktif hale gelirler. Organik bir elektrolitle temas ettiğinde lityum metali, yüzeyinde katı elektrolit arayüzü (SEI) adı verilen bir film oluşturur. Bu filmin ana işlevi, lityum metalini elektrolitten izole ederek lityumun daha fazla korozyonunu önlemektir. Bununla birlikte, şarj ve deşarj sırasında lityum metalinin önemli hacim değişikliği nedeniyle SEI filmi sıklıkla yırtılır. Açıkta kalan taze lityum metal yüzeyi, yeni bir SEI filmi oluşturmak için elektrolitle tekrar reaksiyona girer. Bu işlem sadece çatlaklar boyunca lityum dendritlerin büyümesini teşvik etmekle kalmaz, aynı zamanda pilin içindeki ayırıcıya da nüfuz ederek kısa devreye neden olabilir. Kısa devre meydana geldiğinde, pilin içinde büyük miktarda ısı üretilir ve bu, aşırı durumlarda yanmaya veya patlamaya neden olabilir ve lityum metal pillerin güvenlik performansını ve pazarlanabilirliğini ciddi şekilde etkileyebilir. Ayrıca lityum dendritlerin sayısı arttıkça negatif elektrotun elektrolitle temas etmesi için daha fazla fırsat sağlar, böylece yan reaksiyonların hızı artar. Bu geri dönüşü olmayan süreçler elektrot malzemelerini ve elektrolitleri tüketerek pilin enerji yoğunluğunu ve kulombik verimliliğini azaltır. Uzun süreli kullanımdan sonra, birçok lityum dendrit yeni oluşan SEI filminin içinde kaplanır ve normal elektrokimyasal reaksiyonlara katılamaz; Eş zamanlı olarak, alt katmana yakın lityum dendritleri hızla ayrışır ve "ölü" lityuma neden olur; bu, lityumun bu kısmının elektrokimyasal olarak inaktif hale gelmesi ve genel pil performansının önemli ölçüde zayıflaması anlamına gelir. Geçtiğimiz 40 yılda lityum dendrit oluşum mekanizmalarının araştırılması ve simülasyonunda önemli ilerlemeler kaydedildi.
Dendrit büyümesini bastırmaya yönelik en yaygın stratejilerden biri, elektrolit bileşimini ayarlayarak ve belirli maddeler ekleyerek lityum metal yüzeyindeki katı elektrolit arayüzü (SEI) katmanının stabilitesini ve tutarlılığını arttırmaktır. Ancak lityum metali organik katkılarda termodinamik olarak kararsız olduğundan, sıvı elektrolit ortamda yüzeyinde etkili bir pasivasyon tabakası oluşturmak oldukça zordur. SEI katmanını optimize etmenin yanı sıra, yüksek mekanik dayanıklılığa sahip polimerlerin veya katı bariyer katmanlarının eklenmesi de dendritlerin ayırıcıya nüfuz etmesini önlemenin etkili bir yolu olabilir. Bu yöntemler, SEI katmanının veya ayırıcının mekanik özelliklerini iyileştirerek lityum dendritin ayırıcıya zarar vermesini önlemeyi amaçlar, ancak dendrit oluşumu sorununu temel olarak ortadan kaldırmazlar. Bu zorluğun tamamen üstesinden gelinmesine biraz zaman varken ve lityum metal anot-tabanlı pil ürünleri henüz piyasada yaygın olarak mevcut olmasa da, araştırmacılar teorik olarak pratik uygulama potansiyelini gösteren çeşitli kavramsal lityum metal pil tasarımları önerdiler. Bunlar arasında, katot malzemesi olarak kükürt kullanan lityum-kükürt piller ve katot aktif malzemesi olarak oksijen kullanan lityum-oksijen piller, benzersiz avantajlarından dolayı büyük ilgi görmüş ve ticari olarak oldukça umut verici iki tam-hücreli sistem olarak kabul edilmektedir. Lityum-kükürt piller son derece yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir (yaklaşık 2600 W·kg) ve yeni-nesil pil enerji depolama sistemleri için umut verici adaylar olarak geniş çapta kabul edilmektedir. Daha da önemlisi, elementel kükürt doğada bol miktarda bulunur ve çevre dostudur; bu da lityum{14}}kükürt pillerin avantajlarını daha da öne çıkarır. Bu nedenle lityum{16}}kükürt piller son yıllarda dünya çapında ilgi görmeye başladı.
Lityum-kükürt pillerin şarj edilmesi ve boşaltılması sırasında üretilen polisülfit ara maddeleri, elektrolit içinde çözünür ve negatif elektroda gider. Bu nedenle, özellikle kükürt katot yüklemesi yüksek olduğunda, polisülfür ara maddelerin varlığında lityum dendritlerin baskılanması daha karmaşık hale gelir. Polisülfitler SEI filmine nüfuz edebilir ve yüzey katmanının altındaki taze lityum metalini aşındırarak kapasite kaybına yol açabilir. Bu nedenle, polisülfit mekiğinin önlenmesi, yalnızca lityum-kükürt pil çalışması sırasında katot kapasitesinin arttırılması için değil, aynı zamanda SEI film stabilitesi ve dendrit-içermeyen bir negatif elektrot elde edilmesi için de gereklidir. Sürekli çabalar sonucunda, pozitif sınırlayıcı alan ve adsorpsiyon, elektrolit modifikasyonu ve ayırıcı tasarımı dahil olmak üzere birçok yöntem geliştirilmiştir. Bununla birlikte, bu yöntemlerin, lityum metal anottaki dendrit büyümesini doğrudan baskılamadan, polisülfit mekiklerini baskılamaya ve kükürt katotunun kullanım oranını iyileştirmeye daha fazla odaklandığı görülüyor. Lityum-kükürt pillerin performansı, lityum metal anotun korunmasına bağlıdır. Çeşitli dendrit büyümesini bastırma yöntemlerinin sinerjik etkisi, lityum{11}}kükürt pillerin pratik uygulamasını hızlandırabilir.
Lityum-oksijen piller, pozitif elektrot olarak havadaki oksijeni kullanan bir pil türüdür; bunlara bazen lityum-hava pilleri de denir. Lityum-oksijen pillerin teorik enerji yoğunluğu, ticari lityum-iyon pillerinkini çok aşarak 3500 Wh/kg kadar yüksektir. Bu nedenle, lityum-oksijen pilleri, enerji depolama alanında devrim niteliğinde bir gelişme haline gelmiş, dünya çapında ilgi görmüş ve yeni-nesil enerji depolama sistemlerinde güçlü bir rakip olarak değerlendirilmiştir.
Polisülfit ara maddelerine benzer şekilde, lityum-oksijen pillerinde pozitif elektrottan lityum metal negatif elektrota oksijen çapraz-bağlantısı, lityum metal yüzeyinin kademeli olarak bozulmasına yol açabilir, bu da şarj sırasında elektrolitin ayrışmasına ve LiOH ve LiCO3 oluşumuna yol açabilir. Bu nedenle, oksijen çapraz-bağlanmasını baskılamak için çeşitli stratejiler geliştirilmiştir. Pozitif elektrot sorununun yanı sıra, dendrit büyümesinin neden olduğu lityum tükenmesi ve pasifleştirme filminin hasar görmesi, şarj edilebilir lityum-oksijen pillerde lityum metalinin kullanımını ciddi şekilde engellemektedir. Lityum dendrit büyümesini bastırmaya yönelik yukarıda belirtilen stratejiler aynı zamanda lityum-oksijen pilleri için de geçerlidir. Elektrolit katkı maddeleri, ayırıcı modifikasyonu ve negatif elektrot tasarımı sayesinde lityum pillerin performansı önemli ölçüde artırılabilir.